технологии и оборудование научые исследования информационные ресурсы

 
 

 

Автоматизированная система экспресс-диагностики параметров ионного пучка

В современном технологическом оборудовании нанесения покрытий и ионно-плазменной обработки, при проведении научных исследований широко используются плазменные ускорители[1]. В силу особенностей организации рабочего процесса таких устройств, характеристики ионного пучка могут существенно изменяться даже при незначительных изменениях технологических факторов или в процессе эксплуатации.

Для оперативного контроля параметров ионного пучка в технологических процессах поточного производства, а также для юстировки и проверки таких характеристик ионных ускорителей, как энергия ионов и распределение плотности ионного тока, требуется поверочное оборудование экспресс - диагностики.
Для этих целей был создан программно-аппаратный комплекс PROBE-DAM, предназначенный для автоматизированной регистрации энергетического спектра ионов в пучке, состоящий из датчика, подсоединяемого через защищенный гибкий кабель с фланцем для монтажа в вакуумной камере к блоку управления, и программы обработки и отображения данных (рис.1).

Нажмите для увеличения
Рис 1. Общий вид диагностического комплекса, в составе зонда (1) с вакуумным фланцем и блока управления (2).

Рис.2. Типовые тормозные характеристики технологических ионных источников: 1. Ионного источника типа Кауфман; 2. Плазменного ускорителя с анодным слоем и соответствующие им энергетические спектры ионов по результатам анализа программным модулем DAM.


Определение энергетического спектра ионов в пучке осуществляется путем измерения тормозной характеристики с помощью электростатического анализатора [2], представляющего собой трехэлектродный зонд с двумя сеточными и одним сплошным электродом, который является коллектором ионов).


Сеточные электроды обеспечивают экранирование плазмы от возмущающего потенциала зонда, отделение ионной компоненты плазменного пучка и устранение влияния вторичной электронной эмиссии с входной сетки. Параметры этих электродов подобраны так, чтобы обеспечить регистрацию пучков с концентрацией до 1011 см-3
Входная апертура зонда составляет 21мм. Для повышения пространственного разрешения используется набор диафрагм с калиброванными входными отверстиями. Зонд эффективно регистрирует пучки в диапазоне давлений аргона в вакуумной камере до 0,15Па.


Конструкция зонда обеспечивает долговременную стабильную работу под интенсивными плазменными пучками.
Для регистрации тормозной характеристики ионов Icol(E), представляющую зависимость ионного тока на коллекторе от коллекторного потенциала Ucol, анализирующее напряжение, изменяющиеся в диапазоне 0-3000В с шагом менее 3В подается на зонд через высоковакуумный разъем с блока управления, а ток регистрируется высокочувствительным (0,3мкА-15мА) дифференциальным усилителем с автоматическим выбором усиления. Измеренные сигналы преобразуются в цифровой вид 10 разрядными АЦП и поступают на компьютер через LPT порт. Программное обеспечение позволяет осуществлять непрерывный мониторинг поступающих с анализатора данных, обработку в режиме реального времени,, визуализацию и, при необходимости, сохранение обработанных данных. Результаты обработки представляются в виде кривых торможения на экране монитора Характерные тормозные характеристики для сеточного ионного источника и ускорителя с анодным слоем представлены на (рис. 2). Значения тока с зонда при небольших потенциалах на коллекторе позволяет оценить плотность ионного тока при условии учета прозрачности сеточных электродов и фиксированном диаметре входной диафрагмы.Особый интерес представляет энергетическое распределение ионного тока. Тормозная характеристика следующим образом связана с дифференциальной f(E) функцией распределения ионов по энергиям [2]:


f(E) - Iсol(E)/Iсol max/dE;


Высокоскоростная обработка данных осуществляется в модуле анализа (DAM). Поскольку задача анализа связана с обработкой большого объема информации - модуль построен на основе SQL базы данных[3], что дает неоспоримый выигрыш в быстродействии.

Результатом работы модуля является график функции распределения ионов по энергиям. Модуль имеет возможность сохранять полученные результаты в графическом виде.
Зная полный ионный ток и используя полученную функцию распределения, несложно определить абсолютную величину тока ионов с заданной энергией.
Энергетическое распределение ионов для сеточного ионного источника и для ускорителя с анодным слоем, полученное обработкой модулем DAM представлено на рис. 2.
Опыт эксплуатации разработанной системыоперативного контроля параметров ионного пучка на обрабатываемой поверхности или на выходе плазменного ускорителя подтвердил эффективность её использованния при работе с большинством из известных ионных источников технологического применения.

Литература

1. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели. -М. Машиностроение 1989.
2. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. - М.: Атомиздат, 1969.
3. Грабер М. SQL. - М. Лорри, 2001

 
Copyright © 1998-03 Plasma LAB | e-mail:tsyg@bmstu.ru